1.4 Применение энерго-информационного подхода к анализу физических процессов

Рассмотрим пример энерго-информационного подхода к анализу термодинамических процессов, протекающих в реальных системах. Например, лед массой m = 0,1кг, имеющего начальную температуру 240К, нагреем и расплавим, затем нагреем образовавшуюся воду и испарим ее. Произведем расчет изменения энтропии в такой системе и сравним между собой информативность протекающих при этом физических процессов.

При нагревании вещества потребляемая им тепловая энергия расходуется на изменение внутренней энергии (кинетической, потенциальной и энергии взаимодействий атомов и молекул), что и обуславливает в итоге изменение его агрегатного состояния. При повышении температуры вещества возрастает хаотизация молекул и атомов, что приводит к росту энтропии термодинамической системы. В процессе плавления льда и испарения воды температура тела практически не изменяется, так как поступающая в систему энергия расходуется на разрушение связей между частицами, на изменение его внутреннего строения, структуры, что является также информационным процессом. Поэтому информативность протекающих при нагревании вещества процессов можно оценить количественно.

Рис 1.3 График зависимости температуры реальной системы от количества поглощенного ей тепла.

Исходные данные для расчетов:

Для информационного анализа протекающих процессов воспользуемся известными соотношениями.

При нагревании льда:

,

При плавлении льда:

При нагревании воды:

При кипении воды:

При нагревании пара:

Изменение энтропии и информативность процессов определим по формулам:

(1.13)

(1.14)

На основе данного примера можно показать, что:

• процессы, связанные с изменением агрегатного состояния вещества, с изменением его внутренней структуры (плавление льда, испарение воды) намного информативнее процессов простого нагревания вещества, сопровождающегося изменением его температуры;

• нагрев воды информативнее процесса нагревания льда;

• процесс испарения воды информативнее процесса плавления льда.

• высокое значение информативности физического процесса предполагает возможность его использования для создания измерительных устройств высокой чувствительности и разрешающей способности.

Термодинамические процессы в реальных системах характеризуются наличием фазовых переходов двух видов. При термодинамическом переходе первого рода выделяется или поглощается энергия – скрытая теплота перехода. При таком переходе существует многофазная область, в которой фазы находятся в равновесии между собой (например, при переходе жидкости в газообразное или твердое состояние). В точках фазового перехода температура вещества постоянна (Т = const), а молярная теплота перехода (q), соответственно, при плавлении и испарении равна:

; ; (1.15)

где - соответствующие приращения энтропии системы.

Для сравнения информативности данных физических процессов используем следующее соотношение:

(1.16)

где r; q – значения удельной теплоты испарения и плавления вещества

В таблице 1.1 приведены результаты сравнительной оценки информативности процессов плавления и испарения для некоторых материалов.

Таблица 1.1

Вещество	удельная теплоемкость	температура плавления	удельная теплота плавления	температура кипения , К	удельная теплота испарения
Алюминий	0,88	932	350	2573	9220	9,5
Железо	0,457	1803	293	3323	6300	12
Золото	0,13	1336	67	3073	1575	10
Никель	0,46	1725	280	3273	7210	13
Олово	0,23	505	59	2543	3020	10
Серебро	0,235	1234	88	2433	2350	13
Калий	0,763	337	61	1033	2080	11
Натрий	1,3	371	113	1156	4220	12
Вода	4,19	273	334	373	2260	5
Ацетон	2,18	179	96	329	524	3
Бензол	1,705	278	127	353	396	2,5
Спирт этиловый	2,43	159	105	351	846	3,7
Эфир этиловый	2,35	157	113	308	351	1,6

Как следует из приведенного примера, процесс испарения вещества является более информативным, но требует больших затрат энергии.

Для создания измерительных устройств нужно использовать такие физические процессы, которые позволяют регистрировать малые энергетические воздействия на рабочее вещество. Поэтому наиболее энергозатратный процесс испарения наименее пригоден для создания измерительных устройств, но относительная чувствительность таких устройств, соответственно и их информативность, будет выше.

Для измерения температуры широко применяют жидкостные термометры, а для визуализации процесса тепловыделения или поглощения удобно использовать процессы плавления – кристаллизации веществ. Устройства данного типа нашли применение для создания эталонов температуры. Процессы испарения – конденсации можно рекомендовать для измерения больших тепловых потоков.

Необходимо учитывать, что реальные термодинамические процессы являются нелинейными даже в промежутке между фазовыми переходами, что является причиной появления дополнительных составляющих погрешности измерительных устройств.

Например, известно, что удельная теплоемкость (с) описывает определенные свойства вещества и, строго говоря, не является постоянной величиной во всем температурном диапазоне, включая все состояния вещества. Она может существенно меняться при изменении состояния материала, например, при переходе от твердой фазы к жидкой.

Теплоёмкость системы невзаимодействующих частиц (например, газа) определяется числом степеней свободы частиц, что характеризует число возможных микросостояний частиц, то есть информативность системы. В молекулярно-кинетической теории газов показывается, что молярная теплоёмкость идеального газа с i степенями свободы при постоянном объеме равна:

R = 8.31 Дж/(моль К) — универсальная газовая постоянная.

При постоянном давлении

Удельные теплоёмкости многих веществ приведены в справочниках обычно для процесса при постоянном давлении.

На микроскопическом уровне удельная теплоемкость отражает структурные изменения материала.